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                  面向成品糧立體倉庫的四向穿梭車研究與開發

                  作者:admin 日期:2021-11-26 15:12:14 瀏覽:

                  成品糧自動化立體倉庫是一種利用高層貨架來存儲成品糧(袋裝大米、袋裝面粉等)的新型倉儲設施。目前,我國成品糧立體倉庫的建設剛剛起步,其體系還不完善,特別是適用于糧袋貨物的自動化搬運設備非常匱乏。

                  在機械、煙草、醫藥等行業領域的自動化立體倉庫中,應用最廣泛的貨物存取設備是過去傳統的堆垛機和近些年興起的穿梭車。四向穿梭車是目前技術水平最先進的新一代穿梭車產品,與只能做直線往復運動的多層穿梭車和子母穿梭車相比,四向穿梭車可在立體貨架的交叉軌道上沿縱向(Y+;Y-)軌道或橫向(X+;X-)軌道任意行駛,從而實現跨巷道高效靈活作業;通過智能控制技術,可完成運行調度、貨位分配、路徑規劃等復雜功能,從而實現貨物存取效率最大化[1,2]。

                  雖然四向穿梭車結構新穎、性能出色,但是在面向成品糧立體倉庫的應用中卻存在不足,主要原因有4個方面:一是袋裝大米、袋裝面粉等糧袋貨物大多為托盤承載,碼垛成型,因而整體高度較高、體積較大、質量較重,屬于大型重載貨物;二是由于沒有貨物料箱,因此對穿梭車的運行平穩性要求較高,以防糧袋貨物掉落或發生側翻;三是由于存取貨物是糧食,因此要求穿梭車設備安全衛生性好;四是糧食出入庫作業頻次高、吞吐量大,要有較高的智能調度性能和訂單處理能力,并且要考慮糧食保質期問題。由此可見,成品糧立體倉庫對四向穿梭車的應用提出了特定使用要求,然而對于這些特定使用要求,目前大多數穿梭車設備卻無法滿足[3,4]。

                  因此,立足于我國成品糧現代化倉儲的行業需求,并針對目前穿梭車設備存在的不足與問題,本文以新型四向穿梭車為研發對象,以大型化、重載化、平穩性、高效率、智能化、安全衛生等為目標,研究其機械結構、驅動控制與智能調度等關鍵技術,完成新型四向穿梭車機械系統、控制系統與上位機管理系統的設計,開發出適用于成品糧立體倉庫的大型高效、高平穩性、全自動的新型四向穿梭車設備。

                  1 四向穿梭車的系統總體設計

                  面向成品糧立體倉庫的智能四向穿梭車的系統總體設計(見圖1)包括4個方面:機械系統設計、控制系統設計、上位機管理系統設計和樣機試制并試驗。經過研究與開發,實現四向穿梭車的重載、安全衛生、平穩、智能調度和訂單處理等功能。

                  圖1 四向穿梭車的系統總體設計圖

                  圖1 四向穿梭車的系統總體設計圖  下載原圖


                  2 四向穿梭車的機械系統設計

                  針對成品糧立體倉庫對四向穿梭車功能的特定需求,結合目前四向穿梭車的結構特點,設計了一種新型四向穿梭車機械系統結構,包括X/Y向行走機構、換向機構、存取貨物機構等,通過設計并校核,在Solid Works軟件中建立了三維模型,并運用ANSYS軟件對關鍵零部件進行了強度校核。

                  2.1 X/Y向行走機構設計

                  四向穿梭車的行走機構主要功能是實現小車沿著X/Y向軌道進行直線行走,X/Y向行走機構的設計直接決定了穿梭車能否運行平穩,本文采用四輪式結構,分別設有驅動輪和從動輪。

                  常見的驅動動力來源有電機傳動和液壓傳動。一方面,四向穿梭車存取貨物在貨架軌道上完成,存取過程要求小車能平穩調速,精準控制小車位置,因此要求成品糧立體倉庫金屬貨架對小車的電磁干擾應盡可能??;另一方面,液壓傳動不可避免地會有壓油泄漏,從而造成對成品糧倉儲環境的污染,因此還要求保證成品糧立體倉庫的安全衛生。綜合以上,選擇無刷直流電機來驅動小車行走[5]。

                  2.2 換向機構設計

                  換向機構常見類型有升降車輪換向機構和旋轉車輪換向機構。本文研制的四向穿梭車采用升降車輪換向機構,相較于旋轉車輪換向機構,它不僅可以實現穿梭車交叉軌道平穩快速地切換方向,而且節省了換向時間,小車變道更加靈活。它不存在旋轉車輪換向機構的缺陷,驅動電機位置不隨車輪而轉動,換向之后也不會產生明顯的位置偏差。

                  2.3 存取貨物機構設計

                  目前,四向穿梭車主要有兩種存取貨物的方式:一是通過頂升或下降車體上的載貨板,使貨物與貨架分離,從而實現取貨和存貨的功能,它依靠頂升式存取貨物機構來完成;二是通過一種伸縮式的夾抱抓手,將貨物從貨架拉至車體或從車體推至貨架,從而實現取貨和存貨的功能,它依靠伸縮式存取貨物機構來完成。由于伸縮式存取貨物機構只承受推拉貨物時產生的摩擦力,驅動力較小,因此采用伸縮式存取貨物機構。

                  2.4 三維建模與關鍵零部件的有限元分析

                  經過設計,四向穿梭車的整體外觀三維模型見圖2。

                  圖2 四向穿梭車的整體外觀三維模型

                  圖2 四向穿梭車的整體外觀三維模型  下載原圖


                  由于四向穿梭車抓手和換向推桿等部件在工作時會承受較大的應力,其性能會影響存取貨物的效率和工作可靠性,為此,運用ANSYS軟件的Design Exploration模塊對其進行了優化設計,對結構尺寸進行改進,使換向推桿等關鍵部件在滿足結構強度和剛度條件下,盡可能節省材料、降低成本。圖3為換向推桿優化前后的最大應力云圖。

                  圖3 換向推桿優化前后的最大應力云圖

                  圖3 換向推桿優化前后的最大應力云圖  下載原圖


                  3 四向穿梭車的控制系統設計

                  新型四向穿梭車控制系統設計包括以下4個方面:一是采用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)與變頻器等,基于遞階式控制方法,設計控制系統的總體結構;二是基于電氣自動化控制相關理論,設計四向穿梭車控制系統的電氣硬件結構,主要包括控制系統總體電路布局結構、電機變頻控制電路、信息采集電路、故障報警電路等;三是基于智能控制理論方法,設計四向穿梭車控制系統軟件,主要包括設備總體控制邏輯和策略、傳感器信息采集軟件模塊、出入庫作業邏輯控制軟件模塊、數據通信軟件模塊、故障報警與檢測軟件模塊等;四是根據對四向穿梭車運行平穩性的要求,分析四向穿梭車在大慣量負載情況下的運動特性,對設備調速、穩速與制動控制方法進行研究,建立運行調速智能控制策略,以防止其在運行過程中發生糧袋貨物掉落或側翻。其中電機速度控制的部分程序如下。

                  面向成品糧立體倉庫的四向穿梭車研究與開發(圖4)


                  4 四向穿梭車的上位機管理系統設計及樣機試制

                  基于智能優化算法、無線數據通信技術和軟件開發技術,對上位機管理系統的體系架構、功能模塊組成、數據存儲管理、通信方式等進行設計。實現四向穿梭車倉庫物料管理、訂單處理、出入庫作業任務管理、倉庫貨位優化、四向穿梭車路徑規劃、系統智能調度、無線數據通信、設備狀態監控等功能。

                  考慮到不同種類糧食的包裝、質量、體積等不一樣,不同批次糧食的保質期不一致等因素,在倉庫物料管理、訂單處理、出入庫作業任務管理上,要以作業綜合效率最高為目標。因此,根據作業過程的影響因素(吞吐量、交貨日期、四向穿梭車負荷率、四向穿梭車空載里程等)建立數學模型,結合蟻群算法等優化算法,建立面向成品糧立體倉庫的貨位優化算法、穿梭車路徑規劃算法與系統智能調度算法,提高生產效率和減少庫存[6]。

                  在上述研究結果的基礎上,制作出面向成品糧立體倉庫的新型四向穿梭車樣機(見圖4),并通過樣機試驗來驗證四向穿梭車的X/Y向行走機構、換向機構和存取貨物機構的可靠性和控制系統等設計方案的可行性。目前,驗證效果良好。

                  圖4 四向穿梭車樣機

                  圖4 四向穿梭車樣機  下載原圖


                  5 結束語

                  針對我國成品糧立體倉庫的行業發展需求以及目前穿梭車產品存在的問題,通過對穿梭車的機械結構、驅動控制與智能調度等關鍵技術進行研究,開發了一種新型四向穿梭車設備,實現了穿梭車大型化、重載化、平穩性、智能化、安全衛生等目標。對于面向成品糧立體倉庫的穿梭車結構設計與控制系統研發具有一定的參考價值。


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